逐次近似(応用)再構成画像と被曝低減の可能性について

東北大学病院 診療技術部 放射線部門
佐藤 和宏
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▪臨床例 （大動脈3D）
▪フィルタ補正逆投影法の再考
▪逐次近似応用再構成法の画質評価
▪臨床例 （小児の肺動静脈・大動脈3D）
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▪臨床例 （大動脈3D）
▪フィルタ補正逆投影法の再考
▪逐次近似応用再構成法の画質評価
▪臨床例 （小児の肺動静脈・大動脈3D）
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▪患者情報
– 依頼科 : 移植再建内視鏡外科 (外来)
– 年齢/性別 : 81歳/女性
– 身長/体重 : 146cm/46kg
• その他 : 軽度腎機能低下
▪撮影部位 : 胸腹部大動脈 (造影)
– 臨床診断 : 腹部大動脈瘤
– 検査目的 : 大動脈瘤径の変化
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管電圧 : 100kV
Quality ref. mAs : 90mAs@120kV
回転時間 : 0.33秒
収集 : 0.6mm×128列
撮影長 : 560mm
撮影時間 : 5.3秒
CTDIvol : 4.11mGy
DLP : 240.8mGy・cm
再構成スライス厚 : 1mm
再構成関数 : I30f
SAFIRE : Strength 2
造影剤濃度 : 240mgI/mL
注入速度 : 4.6mL/秒
注入量 : 69mL (360mgI/kg)
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▪臨床例 （大動脈3D）
▪フィルタ補正逆投影法の再考
▪逐次近似応用再構成法の画質評価
▪臨床例 （小児の肺動静脈・大動脈3D）
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コンボリューション補正逆投影法
フィルタ補正逆投影法
投影データ
pθ (t)
Pθ ( f )
F
t
f
× 乗算
＊ コンボリューション
フィルタ関数
コンボリューション関数
F
t
f
pˆ  t 
F-1
t
逆投影
=
=
補正された投影データ
補正された投影データ
Pˆ t 
f
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▪フィルタ補正逆投影法
(Filtered backprojection ; FBP)
▪コンボリューション補正逆投影法
(Convolution backprojection ; CBP)
– 両者は数学的に等価。
– フーリエ変換の手間がかかっても、FBPの方が
計算時間は短い。
– 実装されている再構成法は、フィルタ補正逆投影法。
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▪逆投影法による再構成画像は線形性が成立1)。
– 線形とは、
重ね合わせの理が成り立つ
入力と出力との間に比例関係が成り立つ
などということ。
▪線形性が成立しないと、アーチファクトとなる。
– パーシャルボリューム
– ビームハードニング
1) 森 一生, 山形 仁, 町田好男. CTとMRI－その原理と装置技術－. コロナ社, 東京, 2010
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▪ 複数枚の高雑音画像を加算平均し、低雑音画像を得る。
高雑音画像群
加算平均
低雑音画像
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▪MTFをk倍に引き延ばすと、NPSはkの1.52~ 22乗で
増大する1)。
– 標準偏差σは、 kの1.5~2乗で増大する。
×k2.25~ k4
NPS
MTF
• MTFが1.5倍に引き延ばされたとき、標準偏差が10HUの画像は
標準偏差が18HU~23HUになる。
f1 k f1
空間周波数
f1
1) 森 一生, 山形 仁, 町田好男. CTとMRI－その原理と装置技術－. コロナ社, 東京, 2010
空間周波数
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▪信号雑音比の周波数特性は再構成関数に
依存しない。
– 信号雑音比の周波数特性 : SNR( f )
• MTFとNPSを総合した評価指標。
• 以下の式により求められる。
SNR ( f ) 
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MTF ( f )
NPS ( f )
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1.4
MTF
1.2
1.0
高域強調型
0.8
標準型
0.6
0.4
0.2
0
0
2
4
6
8
空間周波数 (cycles/cm)
10
12
14
2000
NPS
1500
高域強調型
1000
標準型
500
0
0
2
4
6
8
空間周波数 (cycles/cm)
10
12
15
0.1
高域強調型
0.01
SNR
標準型
0.001
0.0001
0
2
4
6
空間周波数 (cycles/cm)
8
10
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▪線形処理により画像が得られる。
– コンボリューション処理
– フーリエ変換
– 逆投影 （加算処理）
▪線形性が崩れるとアーチファクトになる。
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▪再構成関数を変えて…
– 分解能を向上させようとすると、雑音増加。
– 雑音を低減しようとすると、ぼけを伴う。
再構成関数を変えても、総合的に画質評価すれば損得なし
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▪臨床例 （大動脈3D）
▪フィルタ補正逆投影法の再考
▪逐次近似応用再構成法の画質評価
▪臨床例 （小児の肺動静脈・大動脈3D）
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▪The technical details are often a mystery...2)
2) Fessler, J. : Iterative image reconstruction for CT, http://www.aapm. org/meetings/amos2/pdf/59 -17244-92247-397.pdf
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▪本質的にはフィルタ補正逆投影法
▪投影データと画像データに対する画質改善処理
▪考えられる処理内容
– 投影データ : 主に投影データの品質改善処理
– 画像データ : 主に非線形雑音低減処理
▪得られる効果
– アーチファクトの抑制と画像雑音の低減
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▪ 逐次近似応用再構成（以下、IR）法は、線形性が
成立しない3)。
– IR法による画質改善効果は、被写体構造や再構成条件によって
複雑に変化（以下、非線形挙動）。
▪ 非線形挙動を示す画質を、線形挙動を前提にした物理
指標で評価しても、普遍性のある評価が不可能。
– 線型挙動を示す物理指標 : MTF, NPS, SD, CNR, SNR, etc.
– 以後、上記のような問題を非線形問題という。
3) 森 一生. 近年のX線CT画像の非線形的特性と画質の物理評価について. 東北大学医学部保健学科紀要. 22, 7–24, 2013
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▪ 既存の物理指標により評価する場合の前提条件
→ 臨床運用（評価目的）に即した条件で評価。
– MTF : 目的にあったコントラスト・雑音レベル・再構成視野の
画像から計測
– NPS : 目的に合った雑音レベル・再構成視野の画像から計測
▪ 視覚的評価
– 最も臨床を反映した評価。
– 客観性のあるデータをそろえるには、かなりの時間と労力が必要。
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▪臨床例 （大動脈3D）
▪フィルタ補正逆投影法の再考
▪逐次近似応用再構成法の画質評価
▪臨床例 （小児の肺動静脈・大動脈3D）
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▪患者情報
– 依頼科 : 小児外科 (外来)
– 年齢/性別 : 0歳10か月/男性
– 体重 : 4.5kg
▪撮影部位 : 胸部 (造影)
– 臨床診断 : 肺分画症疑い
– 検査目的 : 分画肺の性状、動静脈の走行、気管支の
走行の評価、および血管の3D構築
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Axial
Coronal
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管電圧 : 80kV
Quality ref. mAs : 120mAs@120kV
回転時間 : 0.28秒
収集 : 0.6mm×128列
撮影長 : 200mm
撮影時間 : 0.88秒
CTDIvol : 0.39mGy@32cmΦ
DLP : 8mGy・cm
再構成スライス厚 : 1mm
再構成関数 : I30f
SAFIRE : Strength 3
造影剤濃度 : 300mgI/mL
注入速度 : 1.0mL/秒
注入量 : 9mL
スキャン方式 : Flash spiral
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▪見えているものを、より見やすくする処理。
– 見えないものを見えるようにする処理ではない。
– 微細構造を見えにくくすることもあり得る。
▪挙動を把握すれば、雑音低減が可能。
– 画像雑音、構造物に依存して効果が変化。
– 強すぎる処理は逆効果。
▪検査目的や患者の年齢を考え、処理強度を選択。
– 一般運用では、処理強度は弱く。
– 幼児・小児には中等度の処理強度。
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▪撮影線量の見直し
– AECの条件設定の妥当性を確認
• 再構成関数
• 基準線量（基準雑音量）
• スライス厚
• 非線形処理の有無
▪控えめなIR法の処理強度
– 程々の処理強度で、程々の線量低減効果
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